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| 「中文」光纤的制造、性能与应用 |
光纤和激光器的问世，拉开了光纤通信的序幕。与此同时，计算机和互联网日益普及，又大大地刺激人们对信息交换的需求。正是光纤、激光器、系统设备、计算机、互联网共同构筑的通信平台创造出了一个崭新的信息时代。
一、光纤制造
通信用光纤大多数是由石英玻璃材料组成的。光纤的制造要经历光纤预制棒制备、光纤拉丝等具体的工艺步骤。最常使用的工艺是两步法：第一步采用四种气相沉积工艺，即：外气相沉积（Outside Vapour Deposition-OVD）、轴向气相沉积（Vapour Axial Deposition-VAD）、改进的化学气相沉积（Modified Chemical Vapour Deposition-MCVD）、等离子化学气相沉积（Plasma Chemical Vapour Deposition-PCVD）中的任一工艺来生产光纤预制棒的芯棒；第二步是在气相沉积获得的芯棒上施加外包层制成大光纤预制棒。值得强调的是，光纤预制棒的光学特性主要取决于芯棒的制造技术，光纤预制棒的成本主要取决于外包技术。
1．芯棒制造
芯棒制造技术普遍采用气相沉积工艺，如OVD、VAD、MCVD、PCVD。其中OVD工艺是1970年美国康宁公司的Kapron研发的简捷工艺。OVD工艺的化学反应机理为火焰水解，即所需的芯玻璃组成是通过氢氧焰或甲烷焰中携带的气态卤化物（SiCl4等）产生“粉末”逐渐地一层一层沉积而获得的。OVD工艺有沉积和烧结两个具体工艺步骤：先按所设计的光纤折射分布要求进行多孔玻璃预制棒芯棒的沉积（预制棒生长方向是径向由里向外），再将沉积好的预制棒芯棒进行烧结处理，除去残留水份，以求制得一根透明无水份的光纤预制棒芯棒，OVD工艺最新的发展经历从单喷灯沉积到多喷灯同时沉积，由一台设备一次沉积一根棒到一台设备一次沉积多根棒，从而大大提高了生产率，降低了成本。
VAD工艺是1977年由日本电报电话公司的伊泽立男等人，为避免与康宁公司的OVD专利的纠纷所发明的连续工艺。VAD工艺的化学反应机理与OVD工艺相同，也是火焰水解。与OVD工艺不同的是，VAD工艺沉积获得的预制棒的生长方向是由下向上垂直轴向生长的。烧结和沉积是在同一台设备中不同空间同时完成的，即预制棒连续制造。VAD工艺的最新发展由70年代的芯、包同时沉积烧结，到80年代先沉积芯棒再套管的两步法，再到90年代的粉尘外包层代替套管制成光纤预制棒。
MCVD工艺是1974年由美国AT&T公司贝尔实验室的Machesney等人开发的经典工艺。MCVD工艺为朗讯等公司所采用的方法。MCVD工艺是一种以氢氧焰热源，发生在高纯度石英玻璃管内进行的气相沉积。MCVD工艺的化学反应机理为高温氧化。MCVD工艺是由沉积和成棒两个工艺步骤组成。沉积是获得设计要求的光纤芯折射率分布，成棒是将巳沉积好的空心高纯石英玻璃管熔缩成一根实心的光纤预制棒芯棒。现MCVD工艺采用大直径合成石英玻璃管和外包技术，例如用火焰水解外包和等离子外包技术来制作大预制棒。这些外包技术弥补了传统的MCVD工艺沉积速率低、几何尺寸精度差的缺点，提高了质量、降低了成本，增强了MCVD工艺的竞争力。
PCVD工艺是1975年由荷兰飞利浦公司的Koenings提出的微波工艺。长飞公司采用的就是这种工艺。PCVD与MCVD的工艺相似之处是，它们都是在高纯石英玻璃管管内进行气相沉积和高温氧化反应。所不同之处是热源和反应机理，PCVD工艺用的热源是微波，其反应机理为微波激活气体产生等离子使反应气体电离，电离的反应气体呈带电离子。带电离子重新结合时释放出的热能熔化气态反应物形成透明的石英玻璃沉积薄层。PCVD工艺制备芯棒的工艺有两个具体步骤，即沉积和成棒。沉积是借助低压等离子使流进高纯石英玻璃沉积管内气态卤化物和氧气在大约1000C°的高温下直接沉积成设计要求的光纤芯玻璃组成。成棒则是将沉积好的石英玻璃管移至成棒用的玻璃车床上，利用氢氧焰高温作用将该管熔缩成实心的光纤预制棒芯棒。PCVD工艺的最新发展是采用大直径合成石英玻璃管为沉积衬底管，沉积速率提高到了2~3g/min，沉积长度达到1.2~1.5m。
2．外包层制造
外包层制造技术主要有套管法、等离子喷涂法、火焰水解法等。外包层制造技术是光纤通信全球性高速发展应运而生的大光纤预制棒制造新技术。外包层技术发展和完善的目的是将光纤预制棒做的更粗、更长，即提高光纤生产率，降低生产成本，使光纤通信比其他介质的通信形式具有更大、更强的竞争力。外包层技术中的套管法是将气相沉积工艺制成的芯棒置入一根作光纤外包层的高纯石英玻璃管内制造大预制棒技术。等离子喷涂法是用高频等离子焰将石英粉末熔制于气相沉积工艺得到的芯棒上制成大预制棒的技术。火焰水解法（粉末外包）实质上就是OVD、VAD等火焰水解外沉积工艺在芯棒上的应用。
通常，将气相沉积法工艺和外包层技术结合制成的大预制棒直径缩小，且保持芯包比和折射率分布恒定的操作称为光纤拉丝。拉丝过程中要对裸光纤施加预涂覆层保护。涂覆层既可以保护光纤的机械强度、隔离外界潮湿，又可以避免外应力引起光纤的微弯损耗。此外，高速拉丝还应注意光纤的充分冷却，消除光纤中的残余内应力，以求确保光纤的翘曲度指标最优。
二、光纤性能
当今，光纤制造技术日趋完善，再加上器件和系统的飞速发展带来了光纤品种不断推陈出新，特别是网络业务呈指数式增长势态，使得光纤网带宽每6~9月就可翻一番。为切实满足网络业务高速发展的需要，光纤通信业内的科研工作者不懈地努力开发新光纤、新器件、新系统来实现高速率、大容量、远距离光纤通信。正是高速率、大容量、远距离光纤通信促使光纤的性能研究由最初的衰减、色散转向非线性效应、偏振模色散、色散斜率、色散绝对值大小。与之相应的推出了一个供不同光纤通信系统选用的光纤系列，如：G.651、G.652、G.653、G.654、G.655、色散补偿光纤等。
光纤业内人士熟知光纤通信系统发展初期，传输距离短、传输速率低、传输容量小，故系统对光纤性能的要求仅仅停留在“衰减”一个性能上，与之适应的光纤为G.651光纤。通信系统发展中期，传输距离延长、传输速率提高、传输容量增大，这时系统对光纤性能的要求就由“衰减”一个性能指标转向“低衰减”、“高带宽”2个性能，从而诞生了G.652光纤。G.652光纤因其在1310nm波段上具有零色散（高带宽）、低衰减特点，但在1550nm波段色散大约为18ps/(nm.km)，限制了其在1550nm波段传输宽带和传输距离。人们通过改变光纤的折射率分布来改变波导色散，从而使光纤的总色散在1550nm波长上为零，这样便研究开发出了在1550nm波长上兼有最低衰减和最大宽带的G.653光纤。正是跨洋海底光缆线路需要用极低衰减的光纤，人们又开发出了衰减极小的G.654光纤。G.654光纤是一种截止波长大于1310nm，专门用于1550nm波段（衰减最小窗口）的海底光纤通信系统用光纤。今天正逢光纤通信发展的盛世，为实现超长传输距离、超高传输速率、超大容量传输发展需要用掺铒光纤放大器来延长传输距离，用波分复用技术来增大传输容量，用时分复用技术来提高传输速率。这样，在用掺铒光纤放大器和波分复用，甚至密集波分复用相结合的高速率、大容量、远距离光纤通信线路中，大功率的激光光源和低衰减单模光纤的使用，使光纤芯内光强度很高，低衰减使高光强连续传输很长距离。然而光场和光纤介质相互作用产生非线性效应变得十分显著。光纤的非线性效应会损伤系统传输信号质量，引起数字信号误码和模拟信号畸变。在光纤放大器的使用波长（1530~1565nm）上，采用波分复用或密集波分复用的光纤通信系统中，减少光纤非线性效应的办法有，增大光纤有效受光面积和在1530~1565nm波段中引入一定的色散值等措施。减小光纤偏振模色散的方法是保证所生产的光纤纤芯截面为理想圆和避免光纤遭受内、外应力作用。这样，人们又开发出了G.655光纤。毫无疑问，当前在不断发展中的时分复用、波分复用、掺铒光纤放大器组成的光纤通信系统中，G.655光纤是最佳传输介质的理想选择。2000年，信息产业部武汉邮电研究院参照ITU-T有关单模光纤的最新建议，起草了单模光纤系列的最新国家标准，如：GB/T9771.1《非色散位移单模光纤特性》（G.652A、G.652B）；GB/T9771.3《波长段扩展的非色散位移单模光纤特性》（G.652C）；GB/T9771.4《色散位移单模光纤特性》(G.653)；GB/T977.2《截止波长位移单模光纤特性》（G.654）；GB/T9771.5《非零色散位移单模光纤特性》（G.655A、G.655B）。
三、应用
选用光纤时，应就其承担的业务综合考虑其传输容量、传输距离、系统传输质量要求等因素，力求选用的光纤能考虑到近期的业务量，同时要兼顾业务中、远期发展，还要能获得良好的性能价格比。为此，我们有必要在充分了解各种光纤特点和性能的基础上，根据系统的传输特点对所用的光纤能做出合理的选择。
1．多模光纤
与单模光纤相比，多模光纤芯径大，便于接续；但其衰减系数大，带宽小，故目前多模光纤只适用于短距离、小用量的数据和模拟光信息传输。
2．单模光纤
（1）G.652光纤μm。G.652光纤特点是零色散波长在1.31μm，故其被称为常规单模光纤或非色散位移单模光纤。G.652光纤在1.31μm处衰减系数为0.35dB/km左右，在1.55μm处衰减系数为人0.20dB/km左右，但1.55μm处的色散系数大约为17~20ps/km.nm，从而限制了其在工作波长为1550nm系统中的传输速率和传输距离。
（2）G.653光纤μm。G.653光纤特点是零色散波长由G.652光纤的1.31μm位移到1.55μm制得的光纤，故其称为色散位移光纤。G.653光纤同时实现了1.55μm窗口的低衰减系数和小色散系数。但是当其用于带有掺铒光纤放大器的波分复用系统中时，由于光纤芯中的光功率密度过大产生了非线性效应，限制了G.653光纤在单信道速率10Gbit/s以上波分复用或密集波分复用系统中的应用。
（3）G.655光纤。G.655光纤特点是在1.530~1.565μm波长区为非零色散，故其称为非零色散位移光纤。G.655光纤解决G.653光纤在单信道速率10Gbit/s以上波分复用中出现的非线性效应，特别是四波混频，所以其在10Gbit/s以上波分复用或密集波分复用的高速率、大容量、远距离光纤传输系统中得到极为广泛地应用。
当今，消费者选用光纤主要是依据光纤的光传输性能（如衰减、色散、偏振模色散、非线性效应）、系统单信道速率、传输距离，是否采用波分复用或密集波分复用或稀疏波分复用等因素综合考虑。
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